Composition chimique d'un système et dosage par étalonnage spectrophotométrique

Flashcards complètes couvrant la composition chimique d'un système (quantités de matière, masses molaires, volume molaire, concentration, dissolution, dilution) et le dosage par étalonnage spectrophotométrique (absorbance, loi de Beer-Lambert, protocole expérimental).

Qu'est-ce qu'une mole et combien d'entités chimiques identiques contient-elle ?

La mole est l'unité de quantité de matière. Une mole d'entités chimiques est un paquet contenant la constante d'Avogadro $N_A = 6,02 \times 10^{23}$ entités chimiques identiques.

Quelle relation mathématique relie la quantité de matière $n$, le nombre d'entités $N$ et la constante d'Avogadro $N_A$ ?

$n = \frac{N}{N_A}$ ou $N = n \times N_A$, où $N$ est sans unité, $n$ est en mol et $N_A$ s'exprime en $mol^{-1}$.

Quelles sont les valeurs des masses molaires atomiques usuelles de l'hydrogène, du carbone, de l'azote et de l'oxygène ?

$M_H = 1\,g\cdot mol^{-1}$, $M_C = 12\,g\cdot mol^{-1}$, $M_N = 14\,g\cdot mol^{-1}$ et $M_O = 16\,g\cdot mol^{-1}$.

Pourquoi la masse molaire d'une espèce ionique est-elle considérée comme égale à celle de l'atome ou du groupe d'atomes qui la constitue ?

Parce que la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons.

Comment définit-on le volume molaire d'un gaz $V_m$ et de quels paramètres dépend-il ?

Le volume molaire $V_m$ est le volume occupé par une mole de gaz, quel que soit le gaz considéré. Il s'exprime en $L\cdot mol^{-1}$ et ne dépend que de la température et de la pression (il vaut $22,4\,L\cdot mol^{-1}$ à $0^\circ\text{C}$ et à pression atmosphérique).

Quelles sont les formules permettant de calculer la quantité de matière $n$ d'un corps pur selon qu'il s'agit d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz ?

Pour un solide : $n = \frac{m}{M}$. Pour un liquide : $n = \frac{\rho \times V}{M}$. Pour un gaz : $n = \frac{V}{V_m}$.

Quelle relation relie la concentration en masse $C_m$ et la concentration en quantité de matière $C$ d'un soluté ?

$C_m = C \times M$, avec $C_m$ en $g\cdot L^{-1}$, $C$ en $mol\cdot L^{-1}$ et $M$ en $g\cdot mol^{-1}$.

Quelle formule donne la masse $m$ de soluté à peser pour préparer une solution aqueuse par dissolution de concentration $C$ et de volume $V_{\text{solution}}$ ?

$m = C \times V_{\text{solution}} \times M$, obtenue en combinant $n = C \times V_{\text{solution}}$ et $m = n \times M$.

Quelle relation traduit la conservation de la quantité de matière lors d'une dilution entre la solution mère et la solution fille ?

$n_{\text{mère}} = n_{\text{fille}}$, soit $C_{\text{mère}} \times V_{\text{mère}} = C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}}$, ce qui donne pour le volume à prélever : $V_{\text{mère}} = \frac{C_{\text{fille}} \times V_{\text{fille}}}{C_{\text{mère}}}$.

Comment est défini le facteur de dilution $F$ ?

Le facteur de dilution est défini par le quotient $F = \frac{C_{\text{mère}}}{C_{\text{fille}}} = \frac{V_{\text{fille}}}{V_{\text{mère}}}$. Il est sans unité et $F > 1$. Diluer une solution $F$ fois revient à diviser sa concentration par $F$.

Entre quelles longueurs d'onde se situe le domaine de la lumière visible et comment est déterminée la couleur perçue d'une solution ?

Le domaine visible s'étend entre $400\,\text{nm}$ (violet) et $800\,\text{nm}$ (rouge). La couleur perçue d'une solution est la couleur complémentaire de celle qu'elle absorbe le plus (lue à l'opposé sur le cercle chromatique).

Qu'est-ce qu'un spectre d'absorption et que représente le point noté $\lambda_{\max}$ ?

C'est la courbe donnant l'absorbance $A$ en fonction de la longueur d'onde $\lambda$ ($A = f(\lambda)$). Le maximum de la courbe correspond à la longueur d'onde $\lambda_{\max}$, qui est la radiation la plus absorbée par la solution.

Pourquoi règle-t-on le spectrophotomètre sur la longueur d'onde $\lambda_{\max}$ lors d'un dosage ?

On règle l'appareil sur $\lambda_{\max}$ car c'est à cette longueur d'onde que la mesure de l'absorbance est la plus sensible et la plus précise.

En quoi consiste l'étape de « faire le blanc » avec un spectrophotomètre et pourquoi est-elle indispensable ?

Elle consiste à placer dans l'appareil une cuve remplie de solvant pur (généralement de l'eau distillée) et à régler l'absorbance à zéro. Cela permet de s'assurer que l'appareil ne mesure que l'absorption due à l'espèce colorée étudiée, et non celle du solvant ou de la cuve.

Quelle est l'unité de l'absorbance $A$ et quelle est sa limite de validité sur un spectrophotomètre de lycée ?

L'absorbance $A$ est sans unité. Les mesures restent fiables tant que $A$ est inférieure à environ 2. Au-delà, la solution est trop concentrée et doit être diluée.

Quel est l'énoncé mathématique de la loi de Beer-Lambert et que signifie chaque terme ?

$A = k \times C$, où $A$ est l'absorbance de la solution (sans unité), $C$ est la concentration en quantité de matière de l'espèce colorée (en $mol\cdot L^{-1}$ ou $mmol\cdot L^{-1}$) et $k$ est un coefficient de proportionnalité (en $L\cdot mol^{-1}$ ou $L\cdot mmol^{-1}$).

Quelles sont les quatre conditions d'utilisation requises pour appliquer la loi de Beer-Lambert ?

1. Une seule espèce absorbe dans la solution.
2. La longueur d'onde de travail est fixée (en général à $\lambda_{\max}$).
3. La cuve utilisée est toujours la même (largeur $\ell$ constante).
4. Les solutions sont suffisamment diluées.

En quoi consiste le principe d'un dosage par étalonnage ?

Il consiste à déterminer la concentration d'une espèce en solution en comparant une grandeur physique mesurée sur la solution inconnue (ici l'absorbance) à celle de solutions de concentrations connues, appelées solutions étalons.

Quel est l'avantage décisif de la spectrophotométrie par rapport à d'autres méthodes de dosage ?

La spectrophotométrie est un dosage non destructif : la solution n'est pas modifiée par la mesure et peut être récupérée, ce qui est particulièrement avantageux en analyse médicale ou environnementale.

Quelles sont les quatre étapes du protocole d'un dosage par étalonnage par spectrophotométrie ?

1. Tracer le spectre d'absorption de la solution et repérer $\lambda_{\max}$.
2. Préparer la gamme d'étalonnage par dilution d'une solution mère.
3. Faire le blanc, puis mesurer l'absorbance de chaque solution étalon à $\lambda_{\max}$.
4. Tracer la droite d'étalonnage $A = f(C)$, mesurer l'absorbance de la solution inconnue et en déduire sa concentration par lecture graphique ou calcul.

Comment détermine-t-on graphiquement et par le calcul la concentration d'une solution inconnue à partir de la droite d'étalonnage $A = f(C)$ ?

Graphiquement : repérer l'absorbance mesurée en ordonnée, tracer une horizontale jusqu'à la droite puis descendre verticalement pour lire la concentration sur l'axe des abscisses. Par le calcul : calculer la pente $k = \frac{A}{C}$, puis déterminer la concentration inconnue par la formule $C = \frac{A}{k}$.